大功率混合動力機車動力電池混裝可行性研究

李昭宇 劉忠偉 董駿騏

摘 ?要：介紹了多動力電池支路的混合動力機車拓撲結構，介紹動力電池混裝的系統搭建方式，并對動力電池混裝方案的可行性進行了論述說明，對混裝過程中存在的關鍵問題提出解決策略，證實了動力電池混裝的可行性。

關鍵詞：混合動力機車;動力電池混裝;電壓控制;功率分配

引言

當前，在國家“堅持綠色發展，著力改善生態環境”的精神指導下，具有著低油耗、低排放，低噪聲等優勢的混合動力機車，將作為傳統內燃機車的升級產品，在軌道交通領域，尤其是調車機車領域中扮演越來越重要的地位。

近十年間，動力電池和混合動力技術不斷發展，技術應用已經日趨成熟，能夠生產制造動力電池的生產商也日益增加。動力電池混裝技術若能夠實現，意味著一臺機車能夠裝備多個廠家生產的電池，甚至是多種不同材料的電池，這將給用戶增加更多的選擇空間。本文將論證動力電池混裝技術的可行性，并針對混裝過程中的關鍵技術問題提出解決策略。

1 ?混合動力機車主電路拓撲

混合動力機車主電路的動力電池A與動力電池B為不同種類電池，例如A為鈦酸鋰電池，B為磷酸鐵鋰電池，每組動力電池支路設置一臺獨立動力電池充電機，由其完成動力電池的充放電控制，兩組支路共同接入機車母線，實現機車母線的電壓及功率控制。本拓撲只需增加動力電池支路數量，便可適用于任意混合動力機車。

2 ?動力電池混裝控制關鍵點及控制策略

當前主流的動力電池類型主要為鈦酸鋰電池與磷酸鐵鋰電池，不同種類的動力電池之間，在電池電量、充放電功率、額定電壓等方面差異較大。在相同功率等級下，兩種電池的電量與額定電壓差異很大。

即使是使用同種類的電池，由不同的生產廠家生產的電池組，由于內部電芯選型及排列方式不同，電壓特性也存在著較大差異。因此，如何實現動力電池混裝后的母線電壓控制，以及如何實現動力電池能量均衡輸出，控制多種動力電池SOC均衡，減少柴油機起機充電次數，是動力電池混裝控制的關鍵點。這需要通過外圍電路設計與機車控制系統共同配合實現。

2.1 ?母線電壓控制

多支路動力電池并聯的混合動力機車，其母線電壓控制需由多組動力電池共同實現。在動力電池混裝的條件下，多組動力電池之間的電壓特性各不相同，這就意味著不能將動力電池電壓直接作用于母線之上，否則將會導致電壓特性較高的電池持續放電，而電壓特性較低的電池無法放電，甚至出現電壓高的動力電池持續向電壓低的動力電池充電的情況。因此，在電路設計上，為每一組動力電池配備一套獨立的三電平控制充電機，電路如圖所示：

通過控制IGBT，使其與外圍電路組成boost升壓電路，可以實現將動力電池電壓泵升至所需電壓后，再接入直流母線的目的。為保證母線電壓的穩定，并保證多組動力電池均能夠全部接入母線，需控制充電機將多組電池泵升至相同電壓，此電壓需高于電壓最高的動力電池電壓。此時，全部動力電池輸出至母線的電壓全部由充電機控制，即可實現多組電池共同控制母線電壓的目的。

2.2 ?功率控制

動力電池混裝條件下，每組動力電池的容量、功率、放電倍率、溫度特性等都可能存在較大差異。為了保證各支路能量分配合理，動力電池SOC在使用過程中保持均衡，就需要對每組動力電池支路的能量分配與管理進行獨立控制。

機車微機網絡系統中，由中央控制單元負責整車的能量計算與分配。為簡化計算說明流程，下面以三組完全不同的動力電池支路為例進行說明，本策略適用于任意多組動力電池支路。本策略目的為通過中央控制單元能量分配，使各組電池按剩余電量分配功率，達到SOC均衡，減少起動柴油機充電次數的目的。具體分配策略如下：

假設當前三組動力電池SOC均未達到可用下限，當前機車所需總功率為PRef，動力電池剩余總電量CS，四組動力電池最大輸出功率為P1Max–P3 Max，荷電狀態為SOC1–SOC3，動力電池總容量為C1–C3。

首先計算動力電池能否滿足當前功率需求，若PRef>P1 Max +P2 Max+P3 Max，則需要起動柴油機，以補充機車能量供給;若PRef≤P1 Max +P2 Max+P3 Max，即動力電池能夠提供機車所需全部能量，則可按下述公式進行控制：

以上能量分配策略，能夠最大程度上實現不同種類動力電池按剩余容量均衡放電，避免各組間SOC差異過大導致的機車柴油機頻繁起動充電。

3 ?結語

通過每組動力電池支路設置一臺獨立充電機的電路設計，能夠實現對各組動力電池獨立精準控制，使得動力電池混裝配置成為可能。通過中央控制單元的能量動態分配策略，以及充電機功率、電壓等多閉環控制，實現了混裝動力電池的組間SOC均衡，減少起機充電次數。該策略適用于任意動力電池混裝方式，為未來混合動力機車配置方案增加了更多選擇。

參考文獻：

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作者簡介：

李昭宇（1990 - ），男，遼寧大連人，本科，工程師，主要從事機車微機網絡系統及機車控制系統的研發設計工作。工作單位：中車大連機車車輛有限公司 機車開發部